综述：人机界面中的生物电子传感器用于神经肌肉感知

这篇综述系统总结了生物电子传感器（BPS/EIS/ECS）在神经肌肉感知与人机交互（HMI）中的最新进展，涵盖表皮电极界面设计、多模态信号采集机制（如EMG/EEG/ECG）及其在康复机器人、脑机接口等领域的应用，为开发高性能、个性化的智能交互系统提供了重要参考。

　　

生物电子传感器：解码神经肌肉信号的前沿技术

表皮生物电子界面

实现高效人机交互的核心在于设计高保真、皮肤共形的电极接口。目前主流电极分为两类：金属涂层电极（如Ag/AgCl）通过可逆氧化还原反应稳定传递离子信号，而可拉伸聚合物电极（如PEDOT:PSS）则利用导电高分子材料实现300%延展性。突破性进展包括微针电极阵列，其200μm高度针尖可穿透角质层直达真皮，阻抗低至1.6kΩ，显著降低运动伪影。

生物电位传感（BPS）

通过检测细胞膜离子流动产生的微伏级电信号，BPS可精准捕获三类生理信号：

• 肌电图（EMG）：解码肌肉纤维动作电位，已用于假肢控制和工业机器人协作，最新柔性电极信噪比提升40%
• 脑电图（EEG）：捕捉神经元同步放电信号，结合独立成分分析（ICA）算法可消除90%眼动伪影
• 心电图（ECG）：监测心脏电活动，新型透气电极实现ICU级连续监测

电阻抗传感（EIS）

采用10kHz以上交变电流检测组织阻抗变化，其优势在于：

• 电阻抗断层扫描（EIT）：通过16电极环形阵列重建肌肉收缩图像，空间分辨率达5mm
• 自供电系统：摩擦纳米发电机驱动的新型传感器功耗降低60%
• 材料传感：水凝胶应变传感器可同步检测呼吸频率和体表温度

电化学传感（ECS）

基于氧化还原反应检测生物标志物：

• 三电极系统：工作电极（WE）修饰离子选择性膜，对Na⁺/K⁺检测限达0.1mM
• 微流控集成：定向汗液收集通道避免新旧样本混合，时间分辨率提升3倍
• 多模态应用：石墨烯-金刚石微电极可同步监测多巴胺和脑电信号

挑战与展望

当前瓶颈包括长期佩戴的生物相容性（72小时使用后阻抗波动±15%）、多模态信号融合算法效率（延迟<50ms），以及规模化生产良率（<80%）。未来方向聚焦仿生材料开发、物理信息神经网络算法优化，以及纺织基电极的批量化制造技术。突破这些瓶颈将推动智能假肢、情绪识别机器人等新一代人机交互系统的落地应用。